第2章 卫星通信基础

2.1 电波传输

2.1.1 自由空间的电波传播

无线电波在自由空间的传播是电波传播研究中最基本、最简单的一种。自由空间是满足下述条件的一种理想空间：①均匀无损耗的无限大空间；②各向同性；③电导率为0。电磁波在真空中的传播被称为自由空间传播。

1. 平面电磁波

空间任何一处只要存在着变化的电场，它就能够在周围空间激发磁场；同样，变化的磁场也能够在它的周围空间激发电场。这种电场和磁场能量不断地相互转化，就能形成随时间而变化的交变电磁场并以波动的形式在空间传播。电场和磁场总是不可分离地联系在一起的，既不会有与磁场分离的纯电波，也不会有与电场分离的纯磁波。在自由空间中传播的电磁波一般是平面波，它是一种电场和磁场相互垂直的横波，如图2-1所示。

2. 频率

无线电波和光波一样，它的传播速度和传播媒质有关。无线电波在真空中的传播速度等于光速，在空气中传播的速度和在真空中近似。同一频率的无线电波在不同的媒质中传播时，速度是不同的，波长也不一样。

无线电波的波长、频率和传播速度的关系可表示为：

λ=V/f

式中，V为速度，单位为m/s；f为频率，单位为Hz。真空中无线电波的波长、频率和速度又可表示为：

f=c/λ

式中，λ为波长，单位为m；真空中的光速用c来表示。

无线电波频段划分范围如表2-1所示。

波长在1m以下的超短波又称为微波，具体频段划分如表2-1、2-2所示。

3. 极化

极化的方向为平面波电场强度矢量的方向，表征E的方向随时间变化的特性，并用E的端点在空间描绘出的轨迹来表示。

①电磁波极化是指电磁波电场强度的取向和幅值随时间而变化的性质，在光学中称为偏振。如果这种变化具有确定的规律，就称电磁波为极化电磁波（简称极化波）。如果极化电磁波的电场强度始终在垂直于传播方向的（横）平面内取向，其电场矢量的端点沿一闭合轨迹移动，则这一极化电磁波称为平面极化波。电场的矢端轨迹称为极化曲线，并按极化曲线的形状对极化波命名。

②对于单一频率的平面极化波，极化曲线是一椭圆（极化椭圆），故称椭圆极化波。顺传播方向看去，若电场矢量的旋向为顺时针，符合右螺旋法则，称右旋极化波；若旋向为逆时针，符合左螺旋法则，称左旋极化波。按极化椭圆的几何参数（见极化椭圆的几何参数），可直观地对椭圆极化波作定量描述，即轴比（长轴与短轴之比）、极化方向角（长轴的斜角）和旋向（右旋或左旋）。轴比等于1的椭圆极化波称圆极化波，其极化曲线是一个圆，也分右旋或左旋两种旋向。这时极化方向角不确定，代之以电场矢量初始取向的斜角。轴比趋于无穷大的椭圆极化波称线极化波，其电场矢量的取向始终位于一条直线上，这条直线的斜角就是极化方向。这时旋向失去意义，代之以电场强度的初始相位。

③任何一个椭圆极化波都可以分解成一个右旋圆极化波和一个左旋圆极化波之和。如果将线极化波分解成两个旋向相反的圆极化波，则两者的幅值相等，且初始取向对称于线极化波的取向。

④任何一个椭圆极化波还可以分解成两个取向正交的线极化波之和。通常，其中一个线极化波在水平面内取向（且垂直于传播方向），称水平极化波；另一个线极化波的取向同时垂直于上述水平极化波的取向和传播方向，称垂直极化波（仅当传播方向在水平面内时，垂直极化波的电场矢量才沿铅垂线取向）。这两个线极化波分量的电场矢量有不同的幅值和，以及不同的初始相位和。

⑤同一个椭圆极化波，既可以直接用极化椭圆的几何参数，又可以用两个反旋圆极化分量或两个正交线极化分量之间的参数作定量的描述。极化圆图实质上就是这个球面上各种极化参数的等值线在赤道平面上的投影。发射和接收电磁波的天线都具有确定的极化性质，可根据其用作发射天线时在最强辐射方向上的电磁波极化而命名。

⑥通常为了在收发天线之间实现最大的功率传输，应采用极化性质相同的发射天线和接收天线，这种配置条件称为极化匹配。有时为了避免对某种极化波的感应，采用极化性质与之正交的天线，如垂直极化天线与水平极化波正交；右旋圆极化天线与左旋圆极化波正交。这种配置条件称为极化隔离。

⑦两种互相正交的极化波之间所存在的隔离性质，可应用于各种双极化体制。例如，用单个具有双极化功能的天线实现双信道传输或收发双工；用两个分立的正交极化的天线实现极化分集接收或体视观测（如立体电影）等。此外，在遥感、雷达目标识别等信息检测系统中，散射波的极化性质还能提供幅度、相位信息之外的附加信息。

2.1.2 电波传播方式

无线电波通过多种传播方式从发射天线到接收天线。主要有自由空间波、对流层散射波、天波和地波。

1. 地表面波传播

地表面波传播就是电波沿着地球表面到达接收点的传播方式，如图2-3中的1所示。电波在地球表面上传播，以绕射方式可以到达视线范围以外。地面对表面波有吸收作用，吸收的强弱与电波的频率、地面的性质等因素有关。

2. 天波传播

天波传播就是自发射天线发出的电磁波，在高空被电离层反射回来到达接收点的传播方式。如图2-3中的2所示。电离层对电磁波除了具有反射作用以外，还有吸收能量与引起信号畸变等作用。其作用强弱与电磁波的频率和电离层的变化有关。

3. 空间波传播

空间波沿直线传播，如图2-3中的3所示。当发射以及接收天线架设得较高的时候，在视线范围内，电磁波直接从发射天线传播到接收天线，另外还可以经地面反射而到达接收天线。所以接收天线处的场强是直接波和反射波的合成场强，直接波不受地面影响，地面反射波要经过地面的反射，因此要受到反射点地质地形的影响。空间波在大气的底层传播，传播的距离受到地球曲率的影响。收、发天线之间的最大距离被限制在视线范围内，要扩大通信距离，就必须增加天线高度。一般来说，视线距离可以达到50km左右。空间波除了受地面的影响以外，还受到低空大气层，即对流层的影响。

移动通信中，电波主要以空间波的形式传播，类似的还有微波传播。

4. 散射传播

散射传播就是利用大气层对流层和电离层的不均匀性来散射电波，使电波到达视线以外的地方。如图2-3中的4所示。对流层在地球上约16km高度处，是异类介质，反射指数随着高度的增加而减小。大气对流层中，除了有规则的片状或层状气流外，还存有不规则的类似于水流中漩涡的不均匀体。相应地，在电离层中则有电子密度的不均匀性。当天线辐射出去的电波，投射到这些不均匀体的时候，类似于光的散射和反射现象，电波发生散射或反射，一部分能量传播到接收点的这种传播称为散射传播。这种通信方式的通信距离可达300～800km，适用于无法建立微波中继站的地区，例如，用于海岛之间和跨越湖泊、沙漠、雪山等地区。但是，由于散射信号相当微弱，所以散射传播接收点的接收信号也相当微弱，即传播损耗很大，这样，散射通信必须采用大功率发射机、高灵敏度接收机和高增益天线。

5. 外层空间传播

外层空间传播就是无线电在对流层和电离层以外的外层空间中的传播方式，如图2-3中的5所示。这种传播方式主要用于卫星或以星际为对象的通信中，以及用于空间飞行器的搜索、定位和跟踪等。由于电磁波传播的距离很远，且主要是在大气以外的宇宙空间内进行，而宇宙空间近似于真空状态，因而电波在其中传播时，它的传输特性比较稳定。我们可以把电波穿过电离层外面的空间传播，基本上当作自由空间中的传播来研究。至于电波在大气层中传播所受到的影响，可以在考虑这一简单的情况的基础上加以修正。

2.1.3 电波传播中的衰落特性

电波在空间传输中将受到大气效应和地面效应的影响，导致接收机接收的电平随着时间的变化而不断起伏变化，这种现象称为衰落。衰落通常分为慢衰落和快衰落两种。衰落的大小与气候条件、站距的长短有关。衰落的时间长短不一、程度不一。有的衰落持续时间很短，只有几秒钟，称之为快衰落；有的衰落持续时间很长，几分钟甚至几小时则称之为慢衰落；衰落的出现将使得信号发生畸变。接收电平低于自由空间传播电平的称之为下衰落；而接收电平高于自由空间的传播电平时，则称为上衰落。衰落在现实环境中是不可避免的。而衰落根据其产生原因和特征，也有很多种类。衰落一般都对频率有选择性，不同频率的起伏是不同的，所以衰落不仅使信号幅度不稳，而且引起频率畸变，因此衰落是限制信号带宽的因素之一。

衰落特性可以用信号强度曲线来表达，其中，信号强度曲线的中值呈现慢速变化，称为慢衰落；曲线的瞬时值呈快速变化，称为快衰落。可见快衰落与慢衰落并不是两个独立的衰落（虽然它们产生的原因不同），快衰落反映的是瞬时值，慢衰落反映的是瞬时值加权平均后的中值。慢衰落和快衰落的信号强度随时间变化如图2-4所示。

从衰落的物理因素来看，可以分成以下几种类型。

（1）吸收衰落

任何物体都是由带电的粒子组成的，这些粒子都有其固定的电磁谐振频率。当通过这些物质的电磁频率接近这些谐振频率时，这些物质对微波就会产生共振吸收。大气中的分子具有磁偶极子，水蒸气分子具有电偶分子，它们能从微波中吸收能量，使微波产生衰减。一般说来，水蒸气的最大吸收峰在λ=1.3cm处，氧分子的最大吸收峰则在λ=0.5cm处。对于频率较低的电磁波，站与站之间的距离为50km以上时，大气吸收产生的衰减相对于自由空间产生的衰减是微不足道的，可以忽略不计。

（2）雨、雾引起的散射衰落

由于雨、雾中的小水滴会使电磁波产生散射，从而造成电磁波的能量损失，产生散射衰落。一般来讲，10GHz以下频段，雨雾的散射衰耗并不太严重，通常距离为50km的两站之间只有几分贝。但若在10GHz以上，散射衰耗将变得严重。

（3）多径效应

在无线通信中，无线电波在基站和移动终端之间的传播过程，由于受大气层以及各种大小不一、形状各异的障碍物影响，存在直射、绕射、反射、散射等多种传播情况。以上多种因素造成了基站和移动终端存在多条传播路径。

因此，同一个信号从发射端通过多条路径到达接收端。在接收端接收到这个信号时，接收信号的时间、幅度、相位都会发生变化。无线电波在传播过程中存在损耗，在接收端为了还原出发射信号，会对接收到的信号进行矢量叠加。不同相位的接收信号在进行叠加时，同相位的信号强度会加强，反相位的信号强度会因抵消而减弱，即产生了衰落。这种多条路径传播的信号，叠加后而引起的衰落就称为多径衰落。

（4）多普勒效应

多普勒效应是指发射源与接收点相对移动而产生频率变化的现象。多普勒效应会引起时间选择性衰落。由于相对速度的变化引起频移也随之变化，这时即使没有多径信号，接收到的同一路信号的载频范围随时间不断变化，从而引起时间选择性衰落。

（5）K型衰落

这是由于多径传输产生的干涉型衰落，是当直射波和反射波在到达接收端时，由于行程差使它们的相位不一样，在叠加时产生的电波衰落。由于这种衰落与行程差Δr有关，而Δr是随大气的折射参数K值的变化而变化的，故称为K型衰落。这种衰落在水面、湖泊和平滑的地面时显得特别严重。除了地面的反射以外，大气中有时出现的突变层也能对电磁波产生反射和散射，也可以造成电波的多径传输，在接收点产生干涉型衰落。

（6）波导型衰落

由于气象的影响，大气层中会形成不均匀的层结构，当电磁波通过这些不均匀层时将产生超折射现象，称为大气波导传播。若微波射线通过大气波导，而收、发两点在波导层外，则接收点的电场强度除了有直线波和地面反射波以外，还有“波导层”以外的反射波，形成严重的干扰型衰落，造成通信的中断，如图2-5所示。

（7）对流层对电波的影响

无线电波在传输过程中，一般认为自由空间是均匀的介质。然而实际上，电磁波传输的实际介质是大气层，而大气是在不断变化的，这种变化对微波的传输是会产生影响的，特别是距地面约10km以下的被称为对流层的低层大气层对微波的传输影响最大。因为对流层集中了大气层质量的3/4，当地面受太阳照射温度上升时，地面放出的热量使低层大气受热膨胀，因而造成了大气的密度不均匀，于是产生了对流运动。在对流层中，大气的成分、压强、温度、湿度会随着高度的变化而变化，会使得微波产生吸收、反射、折射和散射等现象。电磁波在自由空间中的传播速度是c=3×l08m/s，在真实的大气中，电波在自由空间中的传播速度c与在大气中的传播速度之比被称为折射率。折射率受大气压力、温度和湿度的不同而变化。由于大气的折射作用，实际的电波不再是按直线传播，而是按曲线传播，根据折射效果的不同可以分成正折射、负折射和无折射。正折射又可以分成标准折射、临界折射和超折射。无折射就是大气的折射率不随大气的垂直高度的变化而变化。负折射顾名思义就是由于折射率随高度的增加而增加，使得电波的传播方向与地球弯曲的方向相反。正折射的意思当然是恰恰相反。折射的分类如图2-6所示。

对流层中的大气常发生体积大小不等、无规则的漩涡运动，称为大气湍流。大气湍流形成的不均匀的块式层状物使介电系数ε与周围的不同。当微波射线射到不均匀的块式层状物上来时，将使电波向周围辐射，形成对流层散射。此时接收点也可以接收到多径传来的这种散射波，它们的振幅和相位是随机的，这就使接收点的场强的振幅发生变化，形成快衰落。由于这种衰落是因多径产生的，因此称之为闪烁衰落。这种衰落持续时间短，电平变化小，一般不会造成通信的中断。

（8）地面反射对电波的影响

在微波的传输过程中，除了大气，气候对其传播产生影响以外，地面的影响也是较大的，主要表现在以下几个方面。

• 树林、山丘、建筑物等能够阻挡一部分电磁波的射线，从而增加了损耗。

• 平滑的地面和水面可以将一部分的信号反射到接收天线上，反射波与入射波叠加后，有可能相互抵消而产生损耗。

有些时候地面上没有明显的障碍物，此时主要是反射波对直射波产生的影响，反射是电平产生衰落的主要因素。地面反射对电波传播的影响如图2-7所示。

（9）阴影衰落

无线电波在遇到面积比电磁波波长大得多的障碍物时，会发生反射，从而在障碍物另一侧形成一片无线电波无法直接传播到的“阴影”区域，称为阴影效应，如图2-8所示。

终端移动到阴影区域中时，造成了阴影区接收信号强度的下降。这种由阴影效应造成的衰落就是阴影衰落。阴影衰落是由于终端移动到阴影区域产生，所以其衰落的速率与工作频率无关，而是取决于终端移动到阴影区域的速度。当终端进入阴影区域，信号变弱，当终端离开阴影区域，信号变强。由于终端移动速度相对电磁波速度要慢很多，所以阴影衰落是一种慢衰落。

2.1.4 卫星通信链路

在卫星通信系统中，信号的传送路径主要在星—地之间和星际之间，星—地之间的电波传播特性由自由空间传播特性和近地大气层的各种因素影响所确定，而星际链路中电波在星与星之间的传播，可认为是自由空间传播，不存在大气层的影响。星—地链路的传播特性，包括自由空间传播和大气层对电波传播的影响，这将带来一定的传播损耗，表2-3归纳了这些损耗产生的原因及主要影响的对象。

在自由空间传播时，卫星通信地球站的接收功率Pr可由式（2-1）表示。

式中，PT—发射功率（W）；GT—发射天线增益（dB）；d—传播距离（m）；AR—接收天线开口面积（m2）；GR—接收天线增益（dB）；η—天线效率；λ—波长（m）。

式中的称为自由空间传播损耗。GR可用式（2-2）表示。

1. 自由空间损耗

卫星通信链路有上行和下行之分，主要的电波通道为卫通站到卫星以及卫星到卫通站（统称为空间段）。静止的地球同步卫星距离地面约为36000km，在这距离内的电波传播产生一定的衰减，其衰减量与距离的二次方成正比，与波长的二次方成反比，其数学表达式为式（2-3）。

晴天气象条件下各频段上、下行的自由空间衰减量如表2-4所示。

2. 链路附加损耗

（1）大气吸收损耗

在大气各种气体中，水蒸气、氧气对电波的吸收衰减起主要作用，水蒸气的第一吸收峰在22GHz，氧气在60GHz（35～80GHz）。对非常低的水蒸气密度，衰减可假定与水蒸气密度成正比。由于在22GHz和60GHz处有较大的损耗峰存在，这些频率不宜用于星—地链路，但可用于星际链路。

总体上，大气吸收损耗随频率的增加而增大。如图2-9所示，在0.3～10GHz的频段，大气损耗小，适合于电波传播，这一频段是当前应用最多的频段。30GHz附近也有一个低损耗区。

（2）雨衰

在雨天或有雾的气象条件下，雨滴和雾对于较高频率（10GHz以上）的电波会产生散射和吸收作用，从而引入较大的附加损耗，称为雨衰。

仰角为θ的传播路径上的降雨衰减量为：

γR是降雨衰减系数，定义为由雨滴引起的单位长度上的衰减，单位为dB/km；LR（θ）是降雨地区的等效路径长度，单位为km。雨衰的特性曲线如图2-10所示。

（3）大气折射的影响

大气折射率随着高度的增加、大气密度的减小而减小，如图2-11所示。电波射线因折射率随高度变化而产生弯曲，波束上翘一个角度增量。

大气折射率的变动对穿越大气的电波起到一个凹透镜的作用，使电波产生微小的散焦衰减，衰减量与频率无关。在仰角大于5°时，散焦衰减小于0.2dB。此外，因大气湍流引起的大气指数的变化，使电波向各个方向上散射，导致电波到达大口面天线时振幅和相位不均匀分布，引起散射衰落，这类损耗较小。

（4）电离层闪烁和多径

电离层内存在电子密度的随机不均匀性而引起闪烁，可使信号产生折射。

电离层中不均匀体的发生和发展，造成了穿越其中的电波的散射，使得电磁能量在时空中重新分布，造成电波信号的幅度、相位、到达角、极化状态等发生短期不规则变化，如图2-12所示。

对闪烁深度大的地区，用编码、交织、重发等技术来克服衰落，减少电离层闪烁的影响；其他地区可采用适当增加储备余量的方法克服电离层闪烁的影响。

此外，由于地球磁场的存在，电磁波还受地球磁场的影响。一个线极化波可以分解为两个幅值相等的左旋和右旋圆极化波，当它们通过各向异性介质的电离层时，由于传播速度不同，两个圆极化波的极化面会相对于入射波发生旋转，这就是法拉第旋转效应。当频率高于10GHz时，法拉第旋转效应较轻，可忽略。对于工作在较低频率的卫星系统，电波的极化方式宜采用圆极化，同时应根据不同情况，对极化面的变化进行补偿。

2.1.5 卫星链路抗衰落技术

快衰落和慢衰落都会对通信造成一定影响。慢衰落主要会导致整体信号的电平衰落，降低了接收的信号功率，从而降低了信噪比（SNR）。快衰落会使发送的基带数据脉冲失真，可能会导致锁相环同步的问题。多径和多普勒效应导致的快衰落可能对通信的破坏力更强。

1. 对抗慢衰落

慢衰落相对于多径衰落那种信号幅度快速变化的快衰落而言，变化速度十分缓慢，一般以秒计数。通常可以通过调整设备参量来弥补，如调整发射功率，或者调整调制编码格式。

空时分组码（STBC，Space Time Block Code）是近年来发展起来的一种新的编码方法。STBC的一个显著的特点是各天线发射的信号之间正交，这不仅能够保证在平坦的慢衰落信道下获得最大的分集增益，而且还可以降低译码复杂度。

减弱慢衰落采用空间分集，即用几个独立天线或在不同场地分别发射和接收信号，以保证各信号之间的衰落独立。

阴影衰落对小区覆盖范围的影响，一般通过预留阴影余量来解决，即额外增加一定的功率（阴影余量）用以对抗阴影衰落。

2. 对抗快衰落

对抗快衰落的方法主要有均衡技术、分集技术等。

均衡是一种常用技术，它用来消除频率选择性衰落导致的码间干扰（ISI）。这个过程是调用一个脉冲响应与传播信道相反的滤波器。因此，传输通道与接收滤波器相结合，产生平坦的线性响应。

在微波接收设备中一般先使用频域均衡器。频域均衡器主要用于减少频率选择性衰落的影响。有选择性衰落时，收信号的幅度下降较大，时域均衡很难正常工作。所谓频域均衡是利用中频通道插入的补偿网络的频率特性去补偿实际信道频率特性的畸变。若传输函数为H（ω），则要求频域均衡器的传输函数E（ω）=1/H（ω），但是频域均衡器只能均衡最小相位衰落。非最小相位衰落，则必须引入时域均衡器。时域均衡是利用波形补偿法将失真的波形加以校正。时域均衡器习惯上也称为横向滤波器。

采用分集接收技术是抗多径衰落的有效措施之一。所谓分集接收，是用两套（或多套）收信设备接收同一个信号由发射设备发射的经两条（或多条）不同路径传播的信号，经过某些处理后，在接收端以一定方式将其合并。这样，当其中一个信号发生衰落时，另外一个（或多个）信号不一定也衰落，只要采用适当的信号合成方法就可保证一定的接收电平，克服或改善衰落的影响。目前，常用的分集接收技术有频率分集、空间分集和混合分集。这三种技术都假设两个（或多个）射频信号在传播过程没有同时发生衰落。频率分集是在发信端将一个信号利用两个间隔较大的发信频率同时发射，在收信端同时接收这两个射频信号后再合成。由于工作频率不同，电磁波之间的相关性极小，各电磁波的衰落概率也不同。频率分集对于抗频率选择性衰落特别有效，但付出的代价是成倍地增加了收发信机，且须成倍地多占用频带，降低了频谱利用率。频率分集示意如图2-13所示。

空间分集是在收端利用空间位置相距足够远的两副天线，同时接收同一个发射天线发出的信号。因为电磁波到达距离差为Δh的两副天线的行程差不同，所以某一副天线收到的信号发生衰落时，另一副天线收到的信号不一定也衰落，当Δh足够大时（Δh10λ，λ为入射波波长），则两路收信号差别较大，对几乎所有深衰落都不相关。两路收信号经时延、相位或幅度调整后，将按一定的规则进行合成，以减少电波衰落的影响，同时可以提高收信电平。空间分集需要增加收信机，其频谱利用率比频率分集高。空间分集示意如图2-14所示。

混合分集是将频率分集与空间分集结合，以保持两种分集的优点。无论采用哪种分集接收技术，都要解决信号合成的问题，常用的信号合成方法有以下3种。

（1）优选开关法

优选开关法由电子开关切换，开关切换既可在中频进行，也可在解调后的基带上进行，该方法电路简单。

（2）线性合成法

该方法将两路信号经校相后线性相加。这一过程通常在中频上进行，电路比较复杂。当两路信号衰落都不太严重时，该方法对改善信噪比很有利；当某路信号发生深衰落时，其合成效果不如优选开关法。

（3）非线性合成法

该方法是前面两种方法的综合，即当两路信号衰落都不太严重时，采用线性合成法；当某路信号发生深衰落时，则采用优选开关法。